Мојата денешна статија е гласно мисли од личност која речиси случајно (иако природно) тргна по патот на програмирање.

Да, разбирам дека моето искуство е само мое искуство, но ми се чини дека добро се вклопува во општиот тренд. Покрај тоа, искуството опишано подолу повеќе се однесува на полето на научната активност, но што, по ѓаволите, не се шегува - може да биде корисно надвор.

Извор: https://xkcd.com/664/

Општо, посветено на сите сегашни студенти од поранешен студент!

Очекувања

Кога ја завршив мојата диплома по Инфокомуникациски технологии и комуникациски системи во 2014 година, не знаев речиси ништо за светот на програмирањето. Да, како и многу други, го полагав предметот „Компјутерски науки“ во мојата прва година - но, Господи, тоа беше мојата прва година! Беше цела вечност!

Во принцип, не очекував ништо особено различно од диплома и кога влегов на магистерската програма „Комуникација и обработка на сигнали“ Германско-руски институт за нови технологии.

Но џабе...

Бевме само втор прием, а момците од првиот сè уште ги пакуваа куферите за далечна Германија (стажирањето трае шест месеци во втора година на магистерски). Со други зборови, никој од блискиот круг се уште не се сретнал сериозно со методите на европското образование, а немаше кој да праша за деталите.

Во нашата прва година, се разбира, имавме различни видови практики, во кои обично ни се нудеа демократски избор помеѓу пишување скрипти (главно на јазикот MATLAB) и користење на разни високо специјализирани GUI (во смисла дека без пишување скрипти - симулација средини за моделирање).

Непотребно е да се каже дека ние, идните магистри на науки, од нашата младешка глупост избегнувавме да пишуваме код како оган. Еве, на пример, Simulink од MathWorks: тука се блоковите, тука се врските, тука се сите видови поставки и прекинувачи.

Поглед кој е мајчин и разбирлив за лице кое претходно работело во дизајн на кола и системско инженерство!

Извор: https://ch.mathworks.com/help/comm/examples/parallel-concatenated-convolutional-coding-turbo-codes.html

Така ни се чинеше ...

Реалност

Една од практичните работи во првиот семестар беше изработката на OFDM трансивер на сигнал како дел од предметот „Методи за моделирање и оптимизација“. Идејата е многу успешна: технологијата е сè уште релевантна и доста популарна поради нејзината употреба, на пример, во мрежите Wi-Fi и LTE/LTE-A (во форма на OFDMA). Ова е најдоброто нешто за мајсторите да ги практикуваат своите вештини во моделирање на телекомуникациски системи.

И сега ни се дадени неколку опции на технички спецификации со очигледно непрактични параметри на рамката (за да не бараме решение на Интернет), и се нафрламе на веќе споменатиот Симулинк... И нè удира со чајник по глава. на реалноста:

• Секој блок е полн со многу непознати параметри, кои се страшни да се променат при пад на капата.
• Треба да се направат манипулациите со бројки, изгледа едноставно, но сепак треба да се галамат, не дај Боже.
• Катедралните машини значително забавуваат од избезумената употреба на GUI, дури и во фазата на сурфање низ библиотеките на достапни блокови.
• За да завршиш нешто дома, треба да го имаш истиот Симулинк. И, всушност, нема алтернативи.

Да, на крајот, се разбира, го завршивме проектот, но го завршивме со гласно издишување на олеснување.

Помина извесно време, и дојдовме до крајот на првата година од магистерските студии. Количината на домашните задачи со користење на GUI-и почна да паѓа пропорционално со зголемувањето на процентот на германски предмети, иако сè уште не беше достигната точка на промена на парадигмата. Многумина од нас, вклучително и јас, надминувајќи ја нашата значителна амплитуда за да изградиме, сè повеќе го користевме Matlab во нашите научни проекти (иако во форма на Toolboxes), а не навидум познатиот Simulink.

Поентата во нашите сомнежи беше фразата на еден од студентите од втора година (тие штотуку се вратија во Русија во тоа време):

• Заборавете, барем за време на стажирањето, за Similink, MathCad и други LabView - над ридот сè е напишано во MATLAB, користејќи го самиот MatLab или неговата бесплатна „верзија“ Octave.

Изјавата се покажа како делумно вистинита: во Илменау, спорот околу изборот на алатки исто така не беше целосно решен. Точно, изборот беше главно помеѓу MATLAB, Python и C.

Истиот ден, ме фати природна возбуда: не треба ли да го префрлам мојот дел од моделот на предавателот OFDM во скриптирана форма? Само за забава.

И се фатив за работа.

Чекор по чекор

Наместо теоретски пресметки, едноставно ќе дадам линк до ова одлична статија 2011 година од tgx и на слајдовите LTE физички слој професори Мишел-Тила (ТУ Илменау). Мислам дека ова ќе биде доволно.

„Па“, си помислив, „да повториме, што ќе моделираме?
Ние ќе моделираме Генератор на рамка OFDM (ОФДМ генератор на рамки).

Што ќе вклучува:

• информативни симболи
• пилотски сигнали
• нули (DC)

Од што (заради едноставност) апстрахираме:

• од моделирање на цикличен префикс (ако ги знаете основите, додавањето нема да биде тешко)

Блок дијаграм на моделот што се разгледува. Ќе застанеме на инверзниот блок FFT (IFFT). За да се комплетира сликата, секој може сам да го продолжи остатокот - им ветив на наставниците од одделението дека ќе остават нешто за учениците.

Ајде да ги дефинираме самите тие. вежба:

• фиксен број на под-превозници;
• фиксна должина на рамката;
• мора да додадеме една нула во средината и пар нули на почетокот и крајот на рамката (вкупно, 5 парчиња);
• информативните симболи се модулираат со помош на M-PSK или M-QAM, каде што M е редоследот на модулација.

Да почнеме со кодот.

Целата скрипта може да се преземе од линк.

Ајде да ги дефинираме влезните параметри:

clear all; close all; clc

M = 4; % e.g. QPSK 
N_inf = 16; % number of subcarriers (information symbols, actually) in the frame
fr_len = 32; % the length of our OFDM frame
N_pil = fr_len - N_inf - 5; % number of pilots in the frame
pilots = [1; j; -1; -j]; % pilots (QPSK, in fact)

nulls_idx = [1, 2, fr_len/2, fr_len-1, fr_len]; % indexes of nulls

Сега ги одредуваме индексите на информативните симболи, прифаќајќи ја премисата дека пилот-сигналите нужно мора да одат пред и/или по нули:

idx_1_start = 4;
idx_1_end = fr_len/2 - 2;

idx_2_start = fr_len/2 + 2;
idx_2_end =  fr_len - 3;

Потоа позициите може да се одредат со помош на функцијата линспејс, намалувајќи ги вредностите на најмалите од најблиските цели броеви:

inf_idx_1 = (floor(linspace(idx_1_start, idx_1_end, N_inf/2))).'; 
inf_idx_2 = (floor(linspace(idx_2_start, idx_2_end, N_inf/2))).';

inf_ind = [inf_idx_1; inf_idx_2]; % simple concatenation

Ајде да додадеме индекси на нули на ова и да подредиме:

%concatenation and ascending sorting
inf_and_nulls_idx = union(inf_ind, nulls_idx); 

Според тоа, индексите на пилот сигнал се сè друго:

%numbers in range from 1 to frame length 
% that don't overlape with inf_and_nulls_idx vector
pilot_idx = setdiff(1:fr_len, inf_and_nulls_idx); 

Сега да ги разбереме пилотските сигнали.

Имаме шаблон (променлива пилоти), и да речеме дека сакаме пилотите од овој шаблон да се вметнуваат во нашата рамка последователно. Се разбира, ова може да се направи во јамка. Или можете да играте малку незгодно со матрици - за среќа MATLAB ви овозможува да го направите тоа со доволно удобност.

Прво, да одредиме колку од овие шаблони се вклопуваат целосно во рамката:

pilots_len_psudo = floor(N_pil/length(pilots));

Следно, формираме вектор кој се состои од нашите шаблони:

% linear algebra tricks:
mat_1 = pilots*ones(1, pilots_len_psudo); % rank-one matrix
resh = reshape(mat_1, pilots_len_psudo*length(pilots),1); % vectorization

И ние дефинираме мал вектор кој содржи само дел од шаблонот - „опашката“, која не се вклопува целосно во рамката:

tail_len = fr_len  - N_inf - length(nulls_idx) ...
                - length(pilots)*pilots_len_psudo; 
tail = pilots(1:tail_len); % "tail" of pilots vector

Добиваме пилот ликови:

vec_pilots = [resh; tail]; % completed pilots vector that frame consists

Ајде да преминеме на информативни симболи, имено, ќе формираме порака и ќе ја модулираме:

message = randi([0 M-1], N_inf, 1); % decimal information symbols

if M >= 16
    info_symbols = qammod(message, M, pi/4);
else
    info_symbols = pskmod(message, M, pi/4);
end 

Сè е подготвено! Составување на рамката:

%% Frame construction
frame = zeros(fr_len,1);
frame(pilot_idx) = vec_pilots;
frame(inf_ind) = info_symbols

Треба да добиете нешто како ова:

frame =

   0.00000 + 0.00000i
   0.00000 + 0.00000i
   1.00000 + 0.00000i
  -0.70711 - 0.70711i
  -0.70711 - 0.70711i
   0.70711 + 0.70711i
   0.00000 + 1.00000i
  -0.70711 + 0.70711i
  -0.70711 + 0.70711i
  -1.00000 + 0.00000i
  -0.70711 + 0.70711i
  -0.70711 - 0.70711i
   0.00000 - 1.00000i
   0.70711 + 0.70711i
   1.00000 + 0.00000i
   0.00000 + 0.00000i
   0.00000 + 1.00000i
   0.70711 - 0.70711i
  -0.70711 + 0.70711i
  -1.00000 + 0.00000i
  -0.70711 + 0.70711i
   0.70711 + 0.70711i
   0.00000 - 1.00000i
  -0.70711 - 0.70711i
   0.70711 + 0.70711i
   1.00000 + 0.00000i
   0.70711 - 0.70711i
   0.00000 + 1.00000i
   0.70711 - 0.70711i
  -1.00000 + 0.00000i
   0.00000 + 0.00000i
   0.00000 + 0.00000i

"Блаженство!" — задоволно помислив и го затворив лаптопот. Ми требаа неколку часа да направам сè: вклучително пишување код, учење на некои функции на Matlab и размислување преку математички трикови.

Какви заклучоци донесов тогаш?

Субјективно:

• Пишувањето код е пријатно и слично на поезијата!
• Скриптирањето е најзгодниот метод за истражување за полето на комуникација и обработка на сигнали.

Цел:

• Нема потреба да се пукаат врапчиња од топ (освен ако таквата едукативна цел, се разбира, вреди): со користење на Simulink, решивме едноставен проблем со софистицирана алатка.
• GUI е добар, но подобро е да се разбере што е содржано „под хаубата“.

И сега, далеку од тоа дека сум студент, сакам да му го кажам следново на студентското братство:

• Даре!

Обидете се да напишете код, дури и ако е лош на почетокот. Со програмирањето, како и со секоја друга активност, најтешкиот дел е почетокот. И подобро е да започнете порано: ако сте научник или дури и само техничар, порано или подоцна ќе ви треба оваа вештина.

• Побарувачка!

Побарајте прогресивни пристапи и алатки од наставниците и супервизорите. Ако ова е можно, секако...

• Креирај!

Каде на друго место е подобро да се преболат сите рани на почетник, ако не во рамките на образовната програма? Креирајте и усовршете ги своите вештини - повторно, колку побрзо започнете, толку подобро.

Аспиративни програмери од сите земји, обединете се!

PS

За да го забележам мојот директен однос со студентите, приложувам незаборавна фотографија од 2017 година со двајца ректори: Питер Шарф (десно) и Алберт Харисович Гилмутдинов (лево).

Вредеше да се заврши програмата барем за овие костими! (се шегувам)

Извор: www.habr.com